CN101306327B - 一种卷式炭膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于膜材料技术领域,涉及到一种膜材料及其制备方法,特别是涉及到一种卷式炭膜材料及其制备方法。其特征在于是卷式炭膜由一层或多层融为一体可卷曲的膜层构成;它是采用多种方法和技术制备而成的,具有发达的超微孔孔隙结构,很高的机械强度和韧性及分离性能,可直接分离含有不同分子尺寸的气体或液体混合物;卷式炭膜的制备工艺过程简单,易于控制,可实现连续化生产;本发明的效果和益处是解决现有均质炭膜机械强度差,平板或管状复合炭膜制备工艺复杂,制造成本高,气体渗透量低等问题。
Description
技术领域
本发明属于膜材料技术领域,涉及到一种膜材料及其制备方法,特别是涉及到一种卷式炭膜材料及其制备方法。
背景技术
炭膜是一种新型的分离膜材料,与聚合物膜相比,炭膜具有良好的热、化学稳定性,优异的气体渗透性能等多方面的特点。自从1983年以色列人成功制备出无缺陷的中空纤维炭膜以来,炭膜的研究开发取得了很大的进展,涌现出许多新型的炭膜前驱体材料和炭膜材料及制备方法。如Suda和Haraya等人采用聚酰亚胺为前驱体制备出了O2/N2选择性高达36的均质炭膜;Foley等人在多孔不锈钢管或平板上,以聚糠醇为前驱体,分别采用超声波沉积、旋转涂膜、喷涂等制膜方法制备出纳米孔复合炭膜;Wang Huanting等人以氧化铝管作为支撑体,利用糠醇单体气相原位聚合制备出复合炭分子筛膜等等。然而,炭膜至今未能实现产业化应用,分析其原因是制备的均质炭膜气体通量相对较低,且脆性大,机械强度低;而制备的复合炭膜尽管机械强度有明显的提高,但存在着制备工艺复杂,采用的支撑体如陶瓷、多孔不锈钢管或板的价格高,制造成本高等问题;并且由于制备的板状或管状复合炭膜组件单位体积内的膜面积小,所以单位炭膜组件的气体渗透量低,无法与高膜面积的聚合物中空纤维膜竞争。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的卷式炭膜及其制备方法。解决现有均质炭膜机械强度差,平板或管状复合炭膜制备工艺复杂,制造成本高,气体渗透量低等问题,加快炭膜产业化应用的进程。
本发明所提供的一种卷式炭膜及其制备方法的技术方案包括:
(1)卷式炭膜由一层融为一体可卷曲的膜层构成,是由多孔支撑体和充满其表面、孔隙、缝隙中含有填充物的炭材料组成或由炭薄膜组成,具有发达的孔隙结构和很高的机械强度及韧性,可直接分离含有不同分子尺寸的气体或液体混合物;
(2)卷式炭膜也可以由可卷曲的基膜和分离层构成或由可卷曲的基膜和过渡层及分离层构成,它们是有机的结合在一起;基膜由多孔支撑体和充满其表面、孔隙、缝隙中含有填充物的炭材料组成;基膜具有发达的孔隙结构和很高的机械强度及韧性,其作用是为过渡层或分离层提供支撑,为气体或液体分子的扩散提供通道;过渡层是一层中间层,由含有填充物的炭材料组成,其作用是为分离层提供尺寸较小、分布均匀的孔结构,提高分离层的成膜效果;分离层是一层很薄的膜,由纯炭材料或含有填充物的炭材料组成;分离层具有发达、可区分小分子气体的超微孔结构,其作用与筛子一样分离含有不同分子尺寸的气体或液体混合物,允许小尺寸分子通过,阻止大尺寸分子通过;
(3)支撑体是由高强度织布、尼龙过滤网,炭布、炭纸、炭毡、聚合物薄膜、多孔聚合物网,不锈钢网、铝网、镍网、合金网、铜网或铁网构成;
(4)炭材料是由前驱体聚合物经高温炭化制成;所述的前驱体聚合物为聚酰胺酸、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜酮、聚糠醇、酚醛树脂、聚偏氯乙烯,聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、各种纤维素、聚砜、聚醚砜等其中的一种;
(5)填充物是由无机纳米粒子、无机盐、金属颗粒、金属盐,生物质,有机添加剂等其中的一种或它们的混合物所组成;
所述的填充物无机纳米粒子为沸石分子筛、多孔炭、SiO2、TiO2、ZnO、NiO、Fe2O3、FeO等其中的一种;
所述的沸石分子筛为ZSM-5、β型、Y型、T型、4A、SBA-15、MCM-41或MCM-48;多孔炭为CMK-3、有序炭、碳纳米管、多孔石墨、炭分子筛或活性炭的一种
所述的填充物金属颗粒为Ag、Fe、Cu、Pt、Pd、Au,金属盐为AgNO3、CuNO3的一种;所述的填充物无机盐为碳酸氨、碳酸氢氨、碳酸钙等其中的一种;
所述的填充物生物质为木屑、木质素、稻壳、果壳或秸杆;
所述的填充物有机添加剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚胺酯、聚乙烯醇缩丁醛、ABS、聚乙烯醇等其中的一种;
卷式炭膜的制备方法的技术方案如下:
a、在选择的一种上述聚合物中加入一种或多种的上述的填充物,采用共混、溶胶-凝胶或原位合成的方法将它们均匀混合、分散或溶解到溶剂中制成制膜液;填充物的质量含量通常控制在10%~50%(wt);为了保证填充物易于分散在聚合物中,应采用超声波分散或高速搅拌的方法进行分散,超声波分散时间为1h~2h,高速搅拌时间为1h~5h;
b、采用刮膜、浸渍、刷涂或挤压的制膜方式,将上述制膜液填充到支撑体的孔隙或缝隙中制成可卷曲的平板复合膜,经溶剂蒸发、干燥制备出卷式炭膜前驱体膜;溶剂蒸发、干燥温度为80℃~120℃,时间为1h~3h;
c、将上述制成的前驱体膜直接放入炭化炉中进行炭化,或先预氧化后再放入炭化炉中进行炭化,或直接放入炭化炉中先预氧化后再炭化;在惰性气体保护下,通过控制炭化升温速率、炭化终温、惰性气体等炭化工艺条件,制备出卷式炭膜的基膜;炭化工艺条件:升温速率为0.2℃~10℃/min,炭化终温为500℃~1000℃,恒温或停留时间为1h~5h,保护气体为氩气或氮气;
d、过渡层可以采用a~c相同的步骤进行制备;
e、将上述聚合物的一种配置成溶液或加入一种或多种上述填充物后配置成混合溶液作为涂膜液,填充物的质量含量通常控制在10%~30%(wt);采用浸渍、喷涂、超声沉积或原位沉积的方法将涂膜液均匀涂覆在卷式炭膜的基膜或过渡层上制成分离层,经溶剂蒸发、干燥、炭化或预氧化处理后炭化制备出卷式复合炭膜;溶剂蒸发、干燥温度为80℃~120℃,时间为1h~3h;炭化工艺条件:升温速率为0.2℃~5℃/min,炭化终温为500℃~800℃,恒温或停留时间为2h~5h,保护气体为氩气或氮气;
所述的炭化为间歇式炭化工艺或连续式炭化工艺;
本发明的效果和益处是:
(1)本发明提供的卷式炭膜机械强度高、气体渗透量大,解决了现有均质炭膜机械强度差,复合炭膜气体渗透量低的问题;
(2)本发明提供的卷式炭膜其组件单位体积内膜填装密度高,膜面积大,克服了现有板状或管状复合炭膜组件单位体积内膜填装密度低,膜面积小的问题。
(3)本发明提出的制备卷式炭膜的方法,工艺过程简单,易于控制,可实现连续化生产,制造成本低,克服了现有复合炭膜制备工艺过程复杂,制造成本高的问题,并容易工艺放大,实现产业化生产;
(4)本发明提出的制备卷式炭膜的方法,可以有效控制炭膜的孔结构尺寸,并可根据分离体系的不同,设计制备出具有不同孔径尺寸,高气体渗透通量、高分离选择性的炭膜。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
采用溶胶-凝胶的方法将ZSM-5和聚乙二醇加入到聚醚砜酮中,在超声波作用下反应1h使它们均匀分散在聚醚砜酮中,配制成ZSM-5固含量为25%(wt),聚乙二醇含量为15%(wt)的制膜液;采用刷涂法将制膜液填充到经预处理的400目不锈钢网孔隙中制成可卷曲的平板复合膜;在80℃下,干燥3h制备出卷式炭膜前驱体膜;将膜放入间歇式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜的基膜;炭化工艺条件为:炭化终温为800℃,升温速率为2℃/min,恒温时间为2h,氩气保护;制备得到的卷式炭膜基膜的结构性能为:平均孔径为0.23μm,孔隙率为36.34%,氮气通量为35.34m3·m-2·s-1·Pa-1×10-8。
实施例2
采用共混的方法将SiO2加入到聚酰胺酸中,在超声波作用下分散0.5h使其混合分散均匀,配制成SiO2固含量为20%(wt)的制膜液;采用刮涂法将制膜液分别填充到经预处理的高强度织布、尼龙过滤网,炭布,多孔聚合物网,不锈钢网、铜网、铁网的孔隙或缝隙中制成可卷曲的平板复合膜;在100℃下,干燥2h制备出卷式炭膜前驱体膜;将膜放入间歇式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜的基膜;炭化工艺条件为:炭化终温为600℃,升温速率为5℃/min,恒温时间为2h,氮气保护;制备得到的卷式炭膜基膜的结构性能如表1所示。
表1、不同支撑体制备的卷式炭膜基膜的结构性能
实施例3
采用共混的方法分别在聚醚砜酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚糠醇、酚醛树脂、聚偏氯乙烯,聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、甲基纤维素、聚醚砜中加入Fe和聚胺酯,高速搅拌反应3h使其混合分散均匀,配制成Fe固含量为15%(wt),聚胺酯含量为10%(wt)的制膜液;采用挤压法将制膜液填充到经预处理的300目不锈钢网孔隙中制成可卷曲的平板复合膜;在120℃下,干燥1h制备出卷式炭膜前驱体膜;将膜放入连续式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜的基膜;炭化工艺条件为:炭化终温为700℃,停留时间为3h,氮气保护;制备得到的卷式炭膜基膜的结构性能如表2所示。
表2、不同聚合物制备的卷式炭膜基膜的结构性能
实施例4
采用共混的方法分别将ZSM-5和聚乙二醇及它们的混合物加入到聚醚砜酮中,在超声波作用下振荡1h使它们均匀分散在聚醚砜酮中,分别配制成ZSM-5固含量为15%(wt),聚乙二醇含量为15%(wt)及混合物中ZSM-5含量为10%(wt),聚乙二醇含量为5%(wt)的制膜液;采用挤压法将制膜液填充到经预处理的400目不锈钢网孔隙中制成可卷曲的平板复合膜;在80℃下,干燥3h制备出卷式炭膜前驱体膜;将膜放入间歇式炭化炉中进行炭化,直接得到卷式炭膜;炭化工艺条件为:炭化终温为800℃,升温速率为2℃/min,恒温时间为2h,氩气保护;制备得到的卷式炭膜的气体分离性能如表3所示。
表3、卷式炭膜的气体分离性能(测试温度30℃)
(1GPU=10-6cm3(STP)/(cm2s cmHg))
实施例5
采用共混的方法分别将填充物β型、Y型、T型、MCM-48、CMK-3、碳纳米管、炭分子筛、NiO、Fe2O3、Ag、Pt、CuNO3、碳酸钙、木屑、木质素、秸杆、氧化锆、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇加入到酚醛树脂中,在超声波作用下分散0.5h使其混合分散均匀,配制成填充物固含量为20%(wt)的制膜液;采用挤压法将制膜液填充到经预处理的350目不锈钢网孔隙中制成可卷曲的平板复合膜;在100℃下,干燥2h制备出卷式炭膜前驱体膜;将膜放入间歇式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜的基膜;炭化工艺条件为:炭化终温为700℃,升温速率为1℃/min,恒温时间为1h,氩气保护;制备得到的卷式炭膜基膜的结构性能如表4所示。
表4、加入不同填充物制备的卷式炭膜基膜的结构性能
实施例6
采用原位合成的方法将TiO2和聚乙烯吡咯烷酮与糠醇混合,在高速搅拌下反应5h使它们均匀分散在聚糠醇中,配制成TiO2固含量为20%(wt),聚乙烯吡咯烷酮含量为15%(wt)的制膜液;采用挤压法将制膜液填充到经预处理的350目不锈钢网孔隙中制成可卷曲的平板复合膜;在80℃下,干燥3h制备出卷式炭膜前驱体膜;将膜放入间歇式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜的基膜;炭化工艺条件为:炭化终温为700℃,升温速率为2℃/min,恒温时间为2h,氩气保护;制备得到的卷式炭膜基膜的结构性能为:平均孔径为0.20μm,孔隙率为34.34%,氮气通量为31.34m3·m-2·s-1·Pa-1×10-8。
实施例7
采用溶胶-凝胶的方法将ZSM-5和聚乙二醇加入到聚醚砜酮中,在超声波作用下反应1h使它们均匀分散在聚醚砜酮中,配制成ZSM-5固含量为25%(wt),聚乙二醇含量为15%(wt)的制膜液;采用挤压法将制膜液填充到经预处理的450目不锈钢网孔隙中制成可卷曲的平板复合膜;在100℃下,干燥2h制备出卷式炭膜前驱体膜;将膜放入间歇式炭化炉中进行炭化,直接得到卷式炭膜;炭化工艺条件为:炭化终温为700℃,升温速率为2℃/min,恒温时间为3h,氮气保护;制得的卷式炭膜的结构性能为:平均孔径为50nm,孔隙率为34.34%(wt),纯水通量为0.4m3·m-2·h-1·bar-1;其分离含油废水的截留率为99.5%,含钛白粉废水的截留率为99.7%,染料废水的截留率为97.6%。
实施例8
分别将聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜酮、聚糠醇、酚醛树脂、聚偏氯乙烯,聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、甲基纤维素、聚砜、聚醚砜配置成浓度为15%(wt)的溶液作为涂膜液;采用喷涂法将上述涂膜液分别涂覆在由实施例3制备得到的卷式炭膜的基膜上形成厚度为15μm的分离层;在100℃下,干燥1h后将其放入连续式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜;炭化工艺条件为:炭化终温为700℃,恒温时间为3h,氩气保护;制备得到的卷式炭膜的气体分离性能如表5所示。
表5、不同聚合物前驱体制备的卷式炭膜的气体分离性能(测试温度30℃)
(1GPU=10-6cm3(STP)/(cm2s cmHg))
实施例9
采用共混的方法分别将填充物ZSM-5、β型、CMK-3、碳纳米管、炭分子筛、Ni、Fe2O3、Ag、Pt碳酸钙、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇加入到聚酰胺酸中,在超声波作用下分散1h使其混合分散均匀,配制成填充物固含量为15%(wt),浓度为15%(wt)的溶液作为涂膜液;采用喷涂法将上述涂膜液分别涂覆在由实施例3制备得到的卷式炭膜的基膜上形成厚度为15μm的分离层;在100℃下,干燥1h后将其放入连续式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜;炭化工艺条件为:炭化终温为700℃,恒温时间为3h,氮气保护;制备得到的卷式炭膜的气体分离性能如表6所示。
表6、不同填充物制备的卷式炭膜的气体分离性能(测试温度30℃)
(1GPU=10-6cm3(STP)/(cm2s cmHg))
实施例10
将聚酰胺酸配置成浓度为15%(wt)的溶液作为涂膜液。分别采用浸渍法、超声沉积法或原位沉积法将上述涂膜液涂覆在由实施例3制备得到的卷式炭膜的基膜上形成厚度为15μm的分离层;在100℃下,干燥1h后将其放入连续式炭化炉中进行炭化,得到卷式炭膜;炭化工艺条件为:炭化终温为700℃,停留时间为3h,氩气保护;制备得到的卷式炭膜的气体分离性能如表7所示。
表7、不同涂膜方式制备的卷式炭膜的气体分离性能(测试温度30℃)
(1GPU=10-6cm3(STP)/(cm2s cmHg))
实施例11
将聚酰胺酸配置成浓度为15%(wt)的溶液作为涂膜液。采用喷涂法将上述涂膜液涂覆在由实施例3制备得到的卷式炭膜的基膜上形成厚度为15μm的分离层;在100℃下,干燥1h后将其放入间歇式炭化炉中在不同的炭化温度下进行炭化,得到卷式炭膜;其他炭化工艺条件为:恒温时间为1h,氮气保护;制备得到的卷式炭膜的气体分离性能如表8所示。
表8、不同炭化温度制备的卷式炭膜的气体分离性能(测试温度30℃)
(1GPU=10-6cm3(STP)/(cm2s cmHg))
实施例12
在按实施例3的方法制备得到的卷式炭膜的基膜上,采用实施例3相同的方法制备过渡层为1~3层,将聚酰胺酸配置成浓度为15%(wt)的溶液作为涂膜液。分别采用喷涂法将上述涂膜液涂覆在过渡层上形成厚度为15μm的分离层;在100℃下,干燥1h后将其放入间歇式炭化炉中在不同的炭化温度下进行炭化,得到卷式炭膜;其他炭化工艺条件为:恒温时间为1h,氩气保护;制备得到的卷式炭膜的气体分离性能如表9所示。
表9、不同过渡层层数制备的卷式炭膜的气体分离性能(测试温度30℃)
(1GPU=10-6cm3(STP)/(cm2s cmHg))
Claims (2)
1.一种卷式炭膜,其特征在于:卷式炭膜由可卷曲的基膜、过渡层及分离层构成,它们是有机的结合在一起;基膜由多孔支撑体和充满其表面、孔隙、缝隙中含有填充物的炭材料组成,具有发达的孔隙结构和很高的机械强度及韧性;过渡层是一层中间层,由含有填充物的炭材料组成;分离层是一层很薄的膜,由纯炭材料或含有填充物的炭材料组成,
所述的多孔支撑体是由尼龙过滤网、炭布、炭纸、炭毡、不锈钢网、铝网、镍网、铜网或铁网构成;
所述的炭材料是由前驱体聚合物经高温炭化制成;填充物是由无机纳米粒子、无机盐、金属颗粒、生物质、有机添加剂其中的一种或它们的混合物所组成;
所述的前驱体聚合物为聚酰胺酸;
所述的填充物无机纳米粒子为沸石分子筛、多孔炭、ZnO、NiO、Fe2O3、FeO其中的一种;
所述的填充物金属颗粒为Fe;
所述的填充物无机盐为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钙其中的一种;
所述的填充物生物质为木屑、木质素、稻壳、果壳或秸杆其中的一种;
所述的填充物有机添加剂为聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛、ABS或聚乙烯醇其中的一种,
所述卷式炭膜由基于以下步骤的制备方法得到:
a、在聚酰胺酸中加入一种或多种的上述的填充物,采用共混、溶胶-凝胶或原位合成的方法将它们均匀混合、分散或溶解到溶剂中制成制膜液;填充物的质量含量通常控制在质量百分比10%~50%;采用超声波分散或高速搅拌的方法 进行分散,超声波分散时间为1h~2h,高速搅拌时间为1h~5h;
b、采用刮膜、浸渍、刷涂或挤压的制膜方式,将上述制膜液填充到支撑体的孔隙或缝隙中制成可卷曲的平板复合膜,经溶剂蒸发、干燥制备出卷式炭膜前驱体膜;溶剂蒸发、干燥温度为80℃~120℃,时间为1h~3h;
c、将上述制成的前驱体膜直接放入炭化炉中进行炭化,或先预氧化后再放入炭化炉中进行炭化,或直接放入炭化炉中先预氧化后再炭化;制备出卷式炭膜的基膜,炭化工艺条件:升温速率为0.2℃~10℃/min,炭化终温为500℃~1000℃,恒温或停留时间为1h~5h,保护气体为氩气或氮气;
d、过渡层采用a-c相同的步骤进行制备;
e、将聚酰胺酸配制成溶液或加入一种或多种上述填充物后配制成混合溶液作为涂膜液,填充物的质量含量通常控制在质量百分比10%~30%;采用浸渍、喷涂、超声沉积或原位沉积的方法将涂膜液均匀涂覆在卷式炭膜的过渡层上制成分离层,经溶剂蒸发、干燥、炭化或预氧化处理后炭化制备出卷式复合炭膜;溶剂蒸发、干燥温度为80℃~120℃,时间为1h~3h;炭化工艺条件:升温速率为0.2℃~5℃/min,炭化终温为500℃~800℃,恒温或停留时间为2h~5h,保护气体为氩气或氮气。
2.根据权利要求1所述的卷式炭膜,其特征在于:沸石分子筛为β型、Y型、T型、SBA-15、MCM-41或MCM-48其中的一种;多孔炭为CMK-3、碳纳米管、多孔石墨或活性炭其中的一种。
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